愛 知 工 業 大 学 研 究 報 告
第33号B 平 成10年
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新たに関錯した免震装置の特性に関する襲験的研費
Experimental study on vibration characteristics
of a newly developed isolating system
水 野 雄 介 * 大 根 義 男 件 。 成 田 園 朝 刊 ・ 奥 村 哲 夫 叫
Yusuke MIZUNO
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1はじめに 地震時の構造物破壊を防止する方法は、その力学 的概念によって、耐震・制震圃免震などに分類され るが、土木工学の分野では、例えば安全率の見直し (割増し)議論や応急措置における橋脚の断面補強な ど、主として耐震の観点から安全性を向上しようと する傾向が見られる。しかし、耐震性の向上と経済 性の追求という相矛盾する目標のバランスを調整す る議論は自ずから限界があり、今後は免震や制震の 概念を取り入れた設計思想が重要な役割を果たすも のと思われる。 本研究では、各種土木・建築構造物の基礎や上部 構造物に免震性を付与し、地震力の構造物への伝達 を減衰するためのいわゆる免震装置の開発及び免震 装置を装着した際の設計思想を確立するための基礎 資料を得ることを目的として行った。 *愛知工業大学大学院建設システム工学専攻 叫愛知工業大学土木工学科(豊田市) 2免震構造 免震構造は、構造物もしくは構造物内に設置され る機器類を、地震動や他の外苦しから切り離す機構を 設ける構造と考えることができる。この切り離し(ア イソレーション)の手法は、減衰を付与しつつ免震 装置のたわみ性を増大させる(剛性を小さくする)こ とにより実現される。多くの場合、免震装置は構造 物の基部に設けられるため、ベースアイソレーショ ン(基礎免震)と称せられる。 切り離し材のことを一般にアイソレータと呼んで いるが、アイソレータとは上部構造の重量を支持す ると同時に、横方向には上部構造を柔らかく支持す る装置で、主として積層ゴムが用いられている。 下部構造と切り離された上部構造は比較的自由に 可動(振動)することになるのでこれを制御するため にダンパーが用いられる。ダンパーとは、履歴減衰 や粘性減衰などの原理によってエネノレギーを吸収し 減衰性能を高める装置のことである。また、現在で はアイソレータとダンパーが一体となったゴム系の 免震支承も使用されている。1
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愛知工業大学研究報告，第3
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橋梁における免震構造は、基本的には橋桁部と橋 台および橋脚部とを一部切り離し、橋桁部の地震慣 性カが下部構造に伝達するのを軽減しようとするも のである。(図 1)橋桁
橋脚
図 1 橋梁における免震構造 3.新たに開発した免震装置 新たに開発した免震装置は、ゴム筒内部に粒状体 を充填し、粒状体問の接触摩擦やダイレイタンシー によるエネノレギー吸収効果を取り入れようとするも のである。装置の概略を図 2~5 に示す。 図2は、中空ゴム円筒に粒状体を充填したもの(以 下0型免震装置と呼ぶ)。図 3は、従来の積層ゴム を中空にし、この中空部分に粒状体を充填したもの (以下I型Aアイソダンパーと呼ぶ)、図 4は中空ゴ ム円筒内部に、鉄製のリングをボー/レベアリングを 介して積層し、リング中空部に粒状体を充填したも の(以下I型Bアイソダンパーと呼ぶ)、図5は一方 のみ穴の空いている中空ゴム円筒に粒状体を充填し たものである(以下 E型ダンパーと呼ぶ)。なお、図 中の、有効高さ h'は免震装置のゴムがせん断変形 する高さ、有効長さ L'は圧縮変形する部分の長さ のことである。 図2 0型免震装置 図3 1型Aアイソダンパー 関4 1型 Bアイソダンパー 図5 II型ダンパー 使用したゴム円筒は、J
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防振ゴムC
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であり(0型免震装置のみ3
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のみ)、粒状体には、直径ゆ3
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のセラミッ クボールとφ3阻の玉軸受用鋼球(以下鋼球と呼ぶ) を使用した。新たに開発した免震装置の特性に関する実験的研究 4.特性試験 4. 1 繰返しせん断試験 免震装置在構造物下部に設置した場合、所定の鉛 直応力下でのせん断変形となる。このせん断変形に よる免震装置の特性を調べることを目的として、図 6に示すような繰返しせん断試験を変位制御で行 い、せん断弾性係数Gおよび減衰定数hとせん断ひ ずみγの関係を調べた。図7はGおよびhの算出方 法である。実験は、粒状体を充填しないケース(中 空)も行ったが、新たに開発した免震装置はホルダ、 ーにはめて使用することから、充填の有無に関わら ず断面積はすべてゴムの外径を基に算出した。なお、 実験で免震装置を2つ重ねたのは摩擦による影響を 無くすためである。 ルゲー(鉄) 図6 繰返しせん断試験の模式図
τ
γ
τmax G =ー
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maK一
h= b.W---4πW 図 7 G， hの算出法 図8は充填材の充填効果、すなわち粒状体を充填 していない場合(中空)、セラミックボール(ゅ
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および鋼球(
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を充填した場合のエネルギー吸 収量の違いについて調べたものであり、 I裂Aアイ ソダンパ-(h'=
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、せん断ひ ずみγヰ 7X10-1とした場合の結果である。(a)図は、 繰返し待重載荷中のせん断荷重とせん断変位の関係 を示したものである。 (b)図は、 (a)図におけるせん 断荷重とせん断変位をそれぞれ正規化したものであ る。正規化は、履歴ルーフ。中のせん断応力τ(せん 断ひずみγ)を r(γ)の最大値τm，" (γm目χ)で除す ことにより行った。 (a)図より、粒状体を充填する ことにより、せん断変位に対するせん断抵抗が大き くなっていることが分かる。 (b)図より粒状体を充 填した方が、充填しない場合よりもエネルギー吸収 量は多くなっていることが分かり、粒状体を充填す ることで、より多くのエネノレギー吸収することが可 能であると考えられる。 ) U 山 川 ' ν 仇 ( 5 2 3 m m U 3 鏑 E事 ~3mm G=56B.OkN/m' 図8(a) 粒状体充填効果(荷重 変位) r / r mu 図 8(b) 粒状体充填効果(応力 ひずみ・正規化) 図9はGおよびhの振動数依存性について調べた ものである。(
a
)
図は I型Aアイソダンパー (h'=
2
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阻)、 (b)図は I型 Bアイソダンパー (h'=
3
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)
にそ122 愛知工業大学研究報告，第33号 B，平成10年， Vo1.33-B， M旦r. 1998 れぞれ直径ゆ3mmのセラミックボールを充填し、 I 型 Aアイソダンパーでは鉛底応力a，=1. 96MN/m2、 I型 Bアイソダンパーではa，=0. 98MN/m 2とし、振 動数 f=0. 2， O. 5， 1. 0， 2. 0， 3. OHzの 5穏変化させて行 った結果である。 (a)図より、 I型 Aアイソダンパ ーのG，h~γ 関係は振動数が異なっても大差なく、 振動数に依存しないことが分かる。またGおよび h のγに対する変化は粒子単体の場合と同じ傾向を示 している。一方、 I型 Bアイソダンパー (b図)では、 G~γ の関係は I 型 A アイソダンパーと同じ傾向を 示しているが、 h~γ の関係は振動数が高くなるに つれてhカサ、さくなる傾向が見られる。これは I型 Aアイソダンパーの hに振動数依存性が見られなか ったことから、 I型 Bアイソダ、ンパーで、は内蔵され ているボールベアリングの影響が現れたためと考え られる。 20 50
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思口:O. 2 Hz 司 . _ . h-r + O，O.5H，
羽、 A Ll:1.0 Hz，
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ミ長 @ 0， 2.0 Hz x ; 3， 0 Hz手
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、本ミミ ト私 「寸ド 喧16 Z 2 " 12 調 出 制 8 酷 塩24
40 5 5 輔 制 制 調。 。
3 2 10 せん断 Uずみγ 図9(a) G， hに及ぼす振動数の影響 ( 1型 Aアイソダンパー) 2.5 以)￡割制嗣嘱 5 0 25 0 5 0 5 E ¥ 2 2 ) 臼掘瞳胡酷塩、吋中 20 0.0 せん断ひずみy 図9(b) G， hに及ぼす振動数の影響 ( 1型 Bアイソダ、ンパー) 図10はせん断ひずみ γ=5X 10-2， 2X 10-1，5 X 10-1 に対するGおよび hの拘束圧依存性について調べた ものである。 (a)図はI型 Aアイソダ、ンパー (h'=29 凹)、 (b)[惑は I型Bア イ ソ ダ ン パ -(h' =30mm)にそ れぞれ直径ゆ 3mmのセラミックボールを充填し、振 動数f=O.2Hz、 σ，=0.49，0.98，1.96MN/m2( 1型 Aア イソダンパー)、 a，=0.49， O. 74， 0.98 MN/m2 ( 1型 B アイソダンパー)の条件で行った結果である。 (a)図 の結果を見るとa，の増加に伴いGは増加し粒子単 体の結果と傾向的に一致している。またhは a，の 増大に対し増加の傾向にあり粒子単体の結果と異な っている。これについては本免震装置の特性あるい は鉛直応力σvのゴムと充填材への応力伝播の影響 などが考えられ、今後詳細な検討が必要だと思われ る。 1型 Bアイソダンパーは (b図)、 σvの変化に対 しG，hともにほぼ横ばい傾向を示した。これは I 型Bアイソダンパーでは内蔵されているボ}ノレベア リングがa，を支持していることから、一定以上の a ，を免震装置に載荷した場合、粒状体に伝播され る応力に変化が生じないためだと考えられる。 20一
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12 輯 凶三 割 B 酷 塩 、"4 1剖 50 40 4 2 2 1 3 0三
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x 10J 10 0.0 0.5 1.0 1.5 曲直 E力 σ，(MN/m ') 2.0 図10(a) G， hに及ぼす拘束圧の影響 (I型Aアイソダンパー) 2.5 15~ 詔一
1
4
調 25 吋 ~2.0 Z 言。
1.5 輯 出 胡1.0 酷 塩 "，0.5 相 2 0。
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鉛直応力 σ，(MN/m ') 図10(b) G， hに及ぼす拘束圧の影響 (I型Bアイソダ、ンパー) 図11は粒状体の直径の違いが Gおよび hに及ぼす 影響について調べたものであり、 I型Aアイソダン ノ 守 -(h' =29mm)を用い、鉛直応力 a，=1. 96 MN/m2、 振動数f=O.2Hz、セラミックボー/レの直径ゅ 3，6，8mm と3種変えて行った結果で、ある。図より粒径が大き くなると Gは小さくなっていることが分かる。 hは γ=5 X 10-1を除けば、ゆ 6mmの時に大きな{直を示し ている。しかし値にばらつきが見られ、粒径の違い がhに及ぼす影響については、もっと小さい粒径の 実験が今後必要であるように思われる。 図12は有効高さ h'がGおよび hに及ぼす影響を せん断ひずみ γ=5X10-2， 2X10-1， 5X 10-1に着目し新 た に 開 発 し た 免 震 装 置 の 特 性 に 関 す る 実 験 的 研 究 て調べたものであり、直径φ3rnmのセラミックボー ノレを充填したI型Aアイソダンパーで、有効高さ h'= 29， 48mrnの 2種変化させ、鉛直応力 σv=0.98MN/m2、 振動数f=O.2Hzとして行った結果である。有効高さ h'が高い方が Gは小さく hは大きくなった。なお、 有効高さ h'を高くしすぎると免震装置の転倒jや座 屈が考えられ、 h'の限界を見極めることが今後必 要である。 20r←一一一一一寸一一一一一一 -""!IG-~ 圏争 IA I --"16Hh-O:DOムト z
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'-"' (;.~ ~ "'12 輯 暗 記 B 酷 題 、 ミ4*
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粒干直置ゆ 1m m) 図11 G， hに及ぼす直径の影響 (I型Aアイソダンパー) 20 50 N J空16 Z'
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四12 割 出 出 8 酷 握 、ε4 完封 40 民 30ょ 輯 20草
稿 10 有効高さ h' Imm) 図12 G， hに及ぼす有効高さの影響 ( 1型Aアイソダンパー) 60 図13は、 I型Aアイソダンパーと I型 Bアイソダ ンパーの G，h~γ の関係を比較したものである。 試験条件は鉛直応力 a，=0.98 MN/m2、振動数 f=0. 2 Hzで、ある。図より Gの値は I型 Bアイソダンパーの 方が小さいことがわかる。これは粒状体の充填量の 違いや装置の構造の違いにあると思われる。また、 5.0 50 Jz 空4.0'
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) cl 3.0 輯 睡 出 2.0 罷 慮 、'< 1.0 中 : J型Aアイソダンパー : J型Bアイソダンパーμ40 日 ) 占 掛 川 世 嗣 撰 0 0 3 2 10 0.0 せん断ひずみ γ 図13 1型Aアイソダンパーと I型 Bアイソダンパーの比較 123 hの値は I型Aアイソダンパーの方が大きくなって いる。これはI型 Bアイソダンパーよりも I型Aア イソダンパーの方が充填した粒状体により大きな応 力が伝播されたことや粒状体の充填量の違いにある と思われる。 4. 2 繰返し圧縮試験 免震装置のダPンパーとしての特性を調べるため、 図14に示すような繰返し圧縮試験を行った。実験は 応力制御で振動数f=O.2，0. 5， 1. 0， 2. 0， 3. OHzの 5種、 初期圧縮応力 a，
を静的圧縮試験から得られた応力 a~ひずみE関係で、免震装置に硬化現象の現れ始 める圧縮ひずみE(平均値約30弘)に対応する圧縮応 力U戸30の1/3，2/3および3/3の 3種類に変化させ、 応力振幅を土σ同0
/
3
一定として行った。 ホルダー(鉄) 図14 表 1はゴム種の遠いが動弾性係数Edと減衰定数 hに及ぼす影響について調べた結果である (σ 戸2. a "30/3)。実験は 0型免震装置のゴム種 C05，C10，C 20の 3種で、有効長さ L'=30四のゴム円筒にセラミ ツクボーノレ(ゅ3皿)を充填し、振動数f=O.5Hzで、行っ た。表よりEdはC05，C10，C20の順に大きくなった。 また、 hについては、 C05，C20はほぼ同じ値、 C10が 他の 2っと比べ小さかった。これは粒状体のゴムへ の食い込み等が考えらる。 表2は充填材の違いが Ed及び hに及ぼす影響に ついて調べた結果で、ある(a，
=2・0，
，
ド
/3)。実験は 0型免震装置 (C10，L
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=30rnm)を用い、振動数f=O.5Hz124 愛知工業大学研究報告，第33号 B，平成10年， V 0
1
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33-B， M ar.1998 で行った。表より、粒状体を充填した方がしない場 合よりも hの値は大きくなっていることから、粒状 体を充填することでより高い減衰が得られると考え られる。また、セラミックボーノレよりも鋼球の hが 大きいのは、 Edの僅からも分かるように両者の摩 擦係数の違いあると思われる。 充壌材 一一一(中空) セラミッH
;
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一品 tt3m m 鰐球rT3mm 図15は有効長さ L'の違いが Edおよび hへ及ぼす 影響を調べたものである(σ ，=2・σは 0/3)。実験は 0型免震装置の有効長さL'エ10，20， 30， 50， 70mmの 5 穫で、直径ゆ 3mmのセラミックボーノレを充填し、振 動数f=0.5Hzで行った。有効長さL'が長くなるにつ れEd
は小さくなった。またh
はEd
と逆の傾向を示 した。しかし実際に使用する場合には、構造上の許 50 25J
司__o__Eod-o・_.oぺ
耐 Ll
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J ，〆 ¥ 、 ¥ ¥ 工 輯 倒 嗣 揺 5 0 D O D o r E ¥ Z 2 ) 可 凶 器 出 出 酷 詩 20 有効長さじ(mm) 図15 有効長さの違いが Ed，hに及ぼす影響 (0型免震装置)~
容変形量などの問題があり構造物に適したダ、ンパー を選択する必要があると思われる。 図1
6
はEd
とh
の振動数依存性について調べたも のである。実験は直径 φ3mmのセラミックボーノレを 充填した E型ダ、ンパー (L'=95mm)を用い、振動数f= 0.2，0.5，1.0，2.0，3.0Hzの 5種変化させた。図より Ed~f ， h~f の関係は似かよっており、 Edおよ びhの振動数依存性はないと考えられる。 0 5 0 5 9 5 3 2 2 1 1 t E ¥ Z 5 E M 一出掛睡胡酷揖 輔 世 嗣 端。
30 2 0 e " ' 握動散f(H z) 図1
6
Ed， hに及ぼす振動数の影響 (ll型ダンパー) 5.振動模型実験 実験は、図 17~19 に示す 3 つのモデルに対して行 った(正弦波、水平1方向加振)。図 17は載荷板を4 本の免震支承のみで支持したタイプ (case.1)、図 18 は載荷板をベアリングと4本の免震支承で支持した タイフ。 (case.2)、図 19はcase.1にダンパーを装着し たタイプ (case.3)である。 case.1とcase目2はアイソ レー夕、 case.3はダンパーの実験で、ある。載荷板に は鉄板を使用した。各ケースとも免震支承の中心間 隔は 1000皿皿、ダンパーの中心間隔は700皿である。 C.L CL 図17 cas巴.1 図18 case. 2 図19 case.3新たに開発した免震装置の特性に関する実験的研究 125 図20はcase.1の結果であり、計測した載荷板の加 速度 αTを振動台の加速度 αBで除した加速度比R. (=α
T
I
αB)および、振動台と載荷板との相対変位と 台周期Tの関係で示している。実験はI型Aアイソ ダンパーで h'=29阻を用い、粒状体を充填しない場 合(中空)と直径ゅ 3四セラミックボーノレを充填した 場合で行った(鉛直応力av=2.03MN/m'，入力加速度 αB=200gal)。図より、中空がR.<
1となっている のが分かる。粒状体を充填したケースでは、免震装 置の水平剛性が高すぎたため免震化に必要な相対変 位がでていないことが考えられる。 2.5 2.0￨
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1 . . ， 、 ，も--_司「 h企 -1< --'"骨-- - 企 ー--A 8目。 n H u n H U W F n u a a 曇 E E ) 組側設恩 2.0 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 周期 T(sec) 図20 case. 1の結果(I型Aアイソダンパー， h' =32皿 ，a v=2. 03MN/m'，αB=200gal) 図21はcase.1における入力加速度 αBの違いによ る加速度比R.と台周期Tの関係を調べたもので、 セラミックボーノレ (φ3mm)を充填したI型Aアイソ ダンパー (h'=32mm)を用いた。図より αB壬200gal ではR.>
1となっているのに対し、 αB孟400galで はR.<1
となっている。また、入力加速度 αBの増 大に伴って加速度比 R。が小さくなる傾向が見られ る。 図22はI型AアイソダンパーとI型Bアイソダン ノfーの結果を比較したものである。図は、鉛直応力 av今2.06削1
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、入力加速度 αB=100galの結果であ り、どちらが免震支承として優れているかは言い難 いが、水平方向への変形能カのみに着目した場合、 I型Bアイソダンパーの方が免震支承として優れて いると恩われる。しかし、 I型Bアイソダンパーで は支持可能な鉛直応カavに限界があることから使 用可能な範囲も限られると恩われる。 2.5 2.0 ~25 ，.1 一合一50，
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